孟翔宇 陳銘韻 顧阿倫 鄔新國 劉 濱 周 劍 毛宗強(qiáng),

1. 東莞深圳清華大學(xué)研究院創(chuàng)新中心 2. 清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院

0 引言

“碳達(dá)峰、碳中和”（以下簡稱“雙碳”）目標(biāo)是中國社會(huì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略方向[1-3]。氫能由于其具備的清潔污染、可再生、安全性可控等特點(diǎn)，逐漸成為國際、國內(nèi)社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。國家發(fā)展和改革委員會(huì)、國家能源局聯(lián)合發(fā)布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》[4]，確定了中國未來氫能發(fā)展的整體架構(gòu)，而以氫能技術(shù)為代表的現(xiàn)代能源科技也成為未來能源變革的技術(shù)創(chuàng)新主要方向。大力發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，既可以成為中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展新的增長點(diǎn)，又是中國核心競爭力的體現(xiàn)，能為世界范圍內(nèi)低碳轉(zhuǎn)型做出積極貢獻(xiàn)。而在應(yīng)對氣候變化、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)背景下辨析氫能的作用，分析面臨的瓶頸和問題，探索氫能的應(yīng)用市場和空間，提出氫能技術(shù)的發(fā)展方向，將為今后氫能科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及相關(guān)的政策制定提供有益的借鑒。

1 氫能的作用與角色

1.1 氫能在“碳達(dá)峰”階段的作用

2022—2030年，中國仍處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化發(fā)展階段，實(shí)現(xiàn)CO2排放達(dá)峰需努力加大節(jié)能和能源低碳化的力度，保持較高的GDP 能源強(qiáng)度和單位能耗CO2強(qiáng)度的下降速度，才有可能在較早的發(fā)展階段實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”的目標(biāo)。這就首先要控制和減少CO2排放增量，同時(shí)強(qiáng)化GDP的CO2強(qiáng)度下降力度，使得GDP的CO2強(qiáng)度年下降率介于4.5%～5.0%，才能以GDP的CO2強(qiáng)度下降抵消經(jīng)濟(jì)增長帶來的CO2排放增量[5]。在這其中，能源體系的脫碳化發(fā)展是關(guān)鍵，也就是要促進(jìn)可再生能源對化石能源的替代，降低單位能耗的CO2強(qiáng)度。氫能由于其來源廣泛的特點(diǎn)，可在化石能源和可再生能源之間起到橋梁和紐帶的作用，既可替代化石能源的直接消耗，促進(jìn)終端能源消費(fèi)的清潔化，也可成為可再生能源發(fā)展的緩沖器，避免可再生能源不穩(wěn)定性對能源體系帶來的負(fù)面沖擊。

1.2 氫能在“碳中和”階段的作用

由2 ℃目標(biāo)導(dǎo)向路徑向1.5 ℃目標(biāo)導(dǎo)向路徑轉(zhuǎn)變，中國CO2排放量需要從2030年的120×108t（估計(jì)）減到2060年的約10×108t，減碳強(qiáng)度史無前例。各行業(yè)都要強(qiáng)化轉(zhuǎn)型力度，特別是工業(yè)中的難減排行業(yè)要實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步深度減排，氫能將在這些行業(yè)發(fā)揮不可替代的作用，促進(jìn)其深度減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此在“碳達(dá)峰”—“碳中和”階段，需發(fā)揮氫的獨(dú)特作用，加強(qiáng)氫能在工業(yè)、交通以及電力領(lǐng)域的應(yīng)用。同時(shí)，“碳中和”過程也是中國能源體系中化石能源實(shí)現(xiàn)絕對減量的過程，而氫能將繼續(xù)發(fā)揮能源載體的作用[6-7]，推動(dòng)能源體系向深度脫碳化發(fā)展。預(yù)計(jì)2050年氫能將占中國終端能源消耗的10%以上[8]，中國現(xiàn)在是世界氫能第一大國，未來也仍將是世界氫能第一大國。

1.3 氫能的角色

為促進(jìn)低碳清潔制氫工藝的發(fā)展，中國氫能聯(lián)盟提出了“低碳?xì)洹薄扒鍧崥洹迸c“可再生能源氫”的量化認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)[9]。從減排CO2的要求而言，需要大力發(fā)展綠氫（包括藍(lán)綠氫），然而，由于其制取成本較高限制了其應(yīng)用。在“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的過程中，需要充分利用灰氫技術(shù)成熟、成本低廉的優(yōu)勢和藍(lán)氫資源豐富、來源廣泛的優(yōu)勢以及綠氫（包括藍(lán)綠氫）的全生命周期零碳的優(yōu)勢，確定各自的發(fā)展階段。當(dāng)前中國的氫氣主要來源于煤制氫（62%）和工業(yè)副產(chǎn)氫（18%），而在消費(fèi)端則主要用作工業(yè)原料，生產(chǎn)合成氨、甲醇等化工產(chǎn)品，作為能源載體方面的應(yīng)用占比不高。事實(shí)上，氫能可以在很多領(lǐng)域與電能進(jìn)行配合，以實(shí)現(xiàn)減少化石能源消耗的目的。

如圖1所示，大力發(fā)展綠氫可有效替代化石能源的消耗。事實(shí)上，綠氫和綠電都是二次能源，都需要由一次能源或其他二次能源來制備，而綠氫由于具備能源載體和工業(yè)原料的雙重特性，可以在電能無法發(fā)揮作用的領(lǐng)域起作用，如氫冶金、綠氫化工、交通燃料、工業(yè)供熱等。同時(shí)，綠電的穩(wěn)定需要無碳能源，可以用綠氫實(shí)現(xiàn)大規(guī)模發(fā)電調(diào)峰。由此，總結(jié)出氫能在中國能源體系中的角色和定位如下：氫能是中國能源體系的重要組成部分，是現(xiàn)有能源形式的有益補(bǔ)充，是中國能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體，也是未來戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需以“雙碳”目標(biāo)為導(dǎo)向，發(fā)揮氫能作為能源載體和工業(yè)原料的雙重優(yōu)勢，加強(qiáng)氫能在難減排的行業(yè)應(yīng)用，促進(jìn)工業(yè)部門、交通部門、電力部門的深度減排，構(gòu)建氫—電協(xié)同的終端用能體系，為中國應(yīng)對氣候變化、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、建設(shè)生態(tài)文明和美麗中國提供戰(zhàn)略支撐。

圖1 氫能對傳統(tǒng)能源的替代圖

2 氫能稟賦與氫能倫理

2.1 氫能稟賦

中國目前氫氣的產(chǎn)量約為3 300×104t/a[4]。石油和化工行業(yè)的氫氣消耗占2/3。據(jù)估算，2030年中國氫氣的年需求量將增加至3 715×104t，2060年則增加至約1.3×108t[10]。然而，當(dāng)前主要的氫氣來源（灰氫）存在CO2排放不符合應(yīng)對氣候變化、減排CO2的要求。因此，“藍(lán)氫”則成為“灰氫”過渡到“綠氫”的重要階段。工業(yè)副產(chǎn)制氫具有生產(chǎn)成本較低、技術(shù)成熟、效率高等優(yōu)點(diǎn)，是中國當(dāng)前氫氣的主要來源之一，在中國氫能市場開發(fā)中將發(fā)揮重要作用。由于氫氣在焦炭、氯堿、PDH（丙烷脫氫）和乙烷裂解工藝中并非首要產(chǎn)物，若僅考慮其原料消耗和少量制造費(fèi)用以及氫氣提純成本（忽略CCUS成本），測算的副產(chǎn)氣體用于氫的綜合成本為5～6元/kg，明顯低于化石能源制氫。工業(yè)副產(chǎn)氫可為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期提供低成本、分布式氫源。現(xiàn)有的工業(yè)副產(chǎn)氫類型及特點(diǎn)如表1所示。

未來從減排的角度考慮，氫氣的來源必須從灰氫轉(zhuǎn)向綠氫或藍(lán)氫。而藍(lán)氫的發(fā)展有賴于CCUS技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，相對而言，綠氫由于來源于可再生能源制氫，其全生命周期的CO2排放為零且避免了CCUS技術(shù)對于應(yīng)用場景的限制，更具競爭力。因此，未來綠氫將成為制氫的主要來源，且將著重發(fā)揮其能源載體的作用，成為構(gòu)建多種能源耦合的智慧能源網(wǎng)絡(luò)的橋梁和紐帶。

從化石能源的視角出發(fā)，中國能源稟賦的特點(diǎn)可以歸結(jié)為：“富煤、貧油、少氣”。然而從氫能的視角出發(fā)，中國能源稟賦可以歸結(jié)為：“富煤、貧油、少氣、多氫”。這是因?yàn)闅淠艿膩碓磸V泛，制氫方式多樣，無論是化石能源還是可再生能源，都可以用來制取氫氣。尤其在可再生能源領(lǐng)域，中國的優(yōu)勢十分明顯。截至2020年底，中國可再生能源發(fā)電裝機(jī)達(dá)9.34×108kW，同比增長約17.5%，其中，水電裝機(jī)3.7×108kW（其中抽水蓄能3 149×104kW）、風(fēng)電裝機(jī)2.81×108kW、光伏發(fā)電裝機(jī)2.53×108kW、生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)2 952×104kW[11]。豐富的可再生能源資源稟賦，為中國發(fā)展氫能提供了可靠的保障。另外，中國可再生能源的開發(fā)能力強(qiáng)勁，中國光伏、風(fēng)電的累計(jì)裝機(jī)容量均為世界第一，未來中國可再生能源發(fā)電的裝機(jī)容量將繼續(xù)增加。因此，氫能將基于可再生能源的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)而逐步發(fā)展?？稍偕茉窗l(fā)電量中的棄光、棄風(fēng)的部分可以用來制氫，在制取氫氣的同時(shí)，也促進(jìn)了可再生能源的消納。自2016年以來，中國加大了可再生能源的并網(wǎng)消納，棄光、棄風(fēng)量在逐年降低。未來中國氫能的來源，不能僅靠現(xiàn)有不能并網(wǎng)的棄光、棄風(fēng)量來制取，而應(yīng)發(fā)展專門用于制氫的分布式光伏、風(fēng)電系統(tǒng)，以保證氫源的穩(wěn)定供給。同時(shí)，發(fā)展分布式可再生能源制氫系統(tǒng)，使得在可再生能源不僅有發(fā)電這一條途徑，還有制氫的另一條途徑，可促進(jìn)可再生能源的大規(guī)模消納和就近靈活消納，而且有利于利用氫實(shí)現(xiàn)可再生能源跨季節(jié)、大規(guī)模的儲(chǔ)能，從而平衡由于可再生能源的不穩(wěn)定性帶來的電網(wǎng)負(fù)荷壓力，實(shí)現(xiàn)由氫替代化石能源，作為調(diào)峰電源的目的。另外，由于中國有豐富的可再生能源稟賦，未來可考慮布局綠氫國際貿(mào)易，即由可再生能源制氫，向周邊國家出口綠氫（或氫基化合物）。

2.2 氫能倫理

氫能是可再生的清潔能源，氫能倫理既包括在可持續(xù)發(fā)展能源倫理中，又有自己的特點(diǎn)。氫能倫理可以理解為人、環(huán)境和社會(huì)與氫能之間的相處原則，包括以下3個(gè)方面的內(nèi)容：①安全方面，保證氫的生產(chǎn)、運(yùn)輸和利用過程中安全風(fēng)險(xiǎn)可控；②環(huán)境保護(hù)方面，保證氫在生產(chǎn)、運(yùn)輸和利用過程中與環(huán)境友好，不產(chǎn)生污染；③可持續(xù)發(fā)展，使氫能持續(xù)服務(wù)于社會(huì)[12]。氫能倫理的核心就是可持續(xù)發(fā)展。

中國副產(chǎn)氫源豐富，比如焦?fàn)t煤氣是很好的氫氣來源，但是從氫能倫理的角度出發(fā)，不應(yīng)為獲得這種氫氣而發(fā)展煉焦行業(yè)，排放更多CO2。因此，必須對工業(yè)副產(chǎn)氫有清晰的判斷，是真正的“副產(chǎn)氫”，還是為了獲得氫氣而發(fā)展高排放行業(yè)的“偽副產(chǎn)氫”。發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)既要考慮當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)性，更應(yīng)從國家“雙碳”目標(biāo)出發(fā)，更加關(guān)注可持續(xù)性。

從能源安全的角度出發(fā)，中國能源體系必須實(shí)現(xiàn)多樣化，同時(shí)，終端能源的結(jié)構(gòu)也不能只限于電力的應(yīng)用，應(yīng)注重發(fā)揮氫能的優(yōu)勢?，F(xiàn)在有一種觀點(diǎn)認(rèn)為：“能用電解決的問題就不用氫”。這種觀點(diǎn)略趨保守，實(shí)際上，在氫電都能發(fā)揮作用的領(lǐng)域，既不能單純地強(qiáng)調(diào)電，也不能單純地強(qiáng)調(diào)氫，而是應(yīng)本著“宜電則電、宜氫則氫”的原則，構(gòu)建未來氫電并舉的能源體系。如圖2所示，電網(wǎng)和氫網(wǎng)可以通過“氫—電轉(zhuǎn)換”有效聯(lián)接起來，共同構(gòu)成清潔、高效的終端用能系統(tǒng)。氫電轉(zhuǎn)換的主要方式是“PTG”即“電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)”，PTG的實(shí)現(xiàn)方式很多，其中一種典型性的系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。以綠氫作為能源載體，可實(shí)現(xiàn)跨能源的耦合，構(gòu)建更靈活、更安全、更智慧的能源系統(tǒng)。而以綠氫為基礎(chǔ)的能源互聯(lián)體系，將成為未來低碳社會(huì)的主要能源支柱，為實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整提供堅(jiān)實(shí)保障。

圖2 氫電協(xié)同終端能源體系示意圖[13]

3 氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略

中國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需以氫能定位為前提，聚焦各地實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的具體需求，協(xié)同配合，制定發(fā)展規(guī)劃和實(shí)施路徑，構(gòu)建符合當(dāng)?shù)靥厣闹啤?chǔ)、運(yùn)、用一體化的氫能產(chǎn)業(yè)體系，并形成競爭有序、開放包容、可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)形態(tài)。

3.1 制氫領(lǐng)域

中國現(xiàn)在的制氫方法主要以化石能源制氫為主（灰氫），未來將隨著制氫成本的降低，而逐漸由灰氫過渡到藍(lán)氫和綠氫，并以綠氫為主。而綠氫的發(fā)展依托于中國可再生能源的分布，需重點(diǎn)依此制定制氫領(lǐng)域發(fā)展路徑。

3.1.1 氫能“胡煥庸線”

“胡煥庸線”是中國地理學(xué)家胡煥庸提出的一條地理分界線，該線從黑龍江省黑河到云南省騰沖，大致為1條傾斜45°的直線（圖4-a），其左邊面積超過260×104km2的荒漠化土地主要在大西北地區(qū)，這些地區(qū)的可再生能源如太陽能及風(fēng)能資源豐富，其資源分布如圖4-b、c所示。由于胡煥庸線西北地區(qū)太陽能及風(fēng)能資源豐富，可以在這些地區(qū)有效開展可再生能源（如光伏、風(fēng)電）制氫。中國的沙漠面積加上戈壁灘總共加起來約128×104km2，如果按照當(dāng)前的技術(shù)，利用沙漠戈壁可以建設(shè)1 280×108kW光伏，再加上這些地區(qū)建設(shè)的風(fēng)電場，風(fēng)光互補(bǔ)，則發(fā)電—制氫能力更強(qiáng)。因此，胡煥庸線也可成為中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“氫能胡煥庸線”（圖4）。即依托西北地區(qū)打造中國綠氫制造基地，向東南半壁供給綠氫，建設(shè)氫能“西氣東輸”工程，利用綠氫實(shí)現(xiàn)中國東部地區(qū)的能源系統(tǒng)深度脫碳和工業(yè)體系降碳，從而為實(shí)現(xiàn)中國“雙碳”目標(biāo)提供堅(jiān)強(qiáng)支撐。

圖4 “氫能胡煥庸線”示意圖

3.1.2 海上風(fēng)電制氫基地

海上風(fēng)電是一種把海上風(fēng)能資源轉(zhuǎn)化為電能的能源利用形式。中國海上風(fēng)電起步較晚，但近5年的發(fā)展勢頭十分強(qiáng)勁。截至2020年底，全國海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)約9 GW，主要集中在江蘇、上海和福建三地。需注意的是，近海海上風(fēng)電受軍事、航道、漁業(yè)等限制性因素較大，近海新的可開發(fā)資源空間有限且項(xiàng)目單體規(guī)模較小。而中國深遠(yuǎn)海風(fēng)資源更好，湍流強(qiáng)度和海面粗糙度比近海小，容量系數(shù)高，中國領(lǐng)海線至專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)的可開發(fā)海域面積約60×104km2，資源可開發(fā)潛力約20×108kW，約占中國海上風(fēng)電開發(fā)潛力的75%，全國深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電規(guī)劃與管理政策研究工作已經(jīng)啟動(dòng)，結(jié)合規(guī)劃推進(jìn)一批海上風(fēng)電示范項(xiàng)目在“十四五”期間開工建設(shè)。當(dāng)前，需要結(jié)合中國深遠(yuǎn)海風(fēng)資源特點(diǎn)及水文地質(zhì)條件，有序開展項(xiàng)目布局建設(shè)，探索降本增效空間，推動(dòng)深遠(yuǎn)海風(fēng)電逐步向規(guī)?；l(fā)展。

利用海上風(fēng)電制氫是降低海風(fēng)電送出成本、充分利用“電網(wǎng)棄風(fēng)”這部分電力的有效途徑之一。對中國來說，東部沿海地區(qū)人口稠密，土地資源有限且工業(yè)密集，能源需求巨大，且節(jié)能降碳的壓力非常突出，發(fā)展海上風(fēng)電制氫則是促進(jìn)東部地區(qū)“雙碳”目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)的重要戰(zhàn)略措施。未來應(yīng)規(guī)劃好中國海上風(fēng)電制氫的空間布局、階段性目標(biāo)和發(fā)展路徑，以幫助東部地區(qū)實(shí)現(xiàn)低碳化轉(zhuǎn)型。

目前，越來越多的全球海上工程市場也在從油氣業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向海上風(fēng)電業(yè)務(wù)。傳統(tǒng)海上油氣開發(fā)企業(yè)憑借開發(fā)海上石油的經(jīng)驗(yàn)，積累了大量的海洋勘探、海洋施工、海上平臺(tái)運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，具有開發(fā)海上風(fēng)電的先天優(yōu)勢，這些經(jīng)驗(yàn)可以直接指導(dǎo)海上風(fēng)電制氫。伴隨油氣田開采量枯竭，用電量減少，可在油氣平臺(tái)或者風(fēng)電基礎(chǔ)上設(shè)置電解槽，將風(fēng)電超發(fā)電力用于電解水制氫，將氫氣以一定的比例（通常不大于15%）混入平臺(tái)生產(chǎn)的天然氣中運(yùn)輸，充分利用風(fēng)電所發(fā)電力，節(jié)省新建管網(wǎng)的費(fèi)用（圖5）。

圖5 海上風(fēng)電制氫示意圖

當(dāng)油氣田達(dá)到服役壽命后，可利用現(xiàn)有的油氣平臺(tái)建設(shè)更多的海上風(fēng)電機(jī)組和制氫設(shè)備，將油氣田變?yōu)椤皻錃馓铩?。而且可利用海上風(fēng)電制液氫，通過船運(yùn)的方式將液氫運(yùn)回內(nèi)陸。這樣可充分利用現(xiàn)有油氣田設(shè)備，節(jié)省大量油氣田退役費(fèi)用。

3.1.3 制氫技術(shù)

中國灰氫主要來源于化石能源制氫，具有生產(chǎn)成本較低、技術(shù)成熟、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但其制備過程中的碳排量較高，不利于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。其中，化石能源制氫主要包括煤、天然氣、石油制氫。中國藍(lán)氫主要來源于化石能源制氫或工業(yè)副產(chǎn)氫與CCUS技術(shù)的結(jié)合，而工業(yè)副產(chǎn)氫主要包括焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣、PDH、乙烷裂解等為主的工業(yè)副產(chǎn)氣制氫。綠氫主要來源于清潔能源與可再生能源制氫，包括太陽能制氫、風(fēng)能制氫、水能制氫、生物質(zhì)制氫以及核能制氫等，其中運(yùn)用最廣的是太陽能制氫與風(fēng)能制氫。中國制氫技術(shù)當(dāng)前以灰氫為主，近期則是藍(lán)、綠氫同行，未來將以綠氫為主。

太陽能制氫技術(shù)主要包括太陽能電解水制氫、太陽能熱化學(xué)制氫、太陽能光化學(xué)制氫、太陽能直接光催化制氫、太陽能熱解水制氫以及光合作用制氫等。在以上技術(shù)中，除了電解水制氫技術(shù)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用外，其余尚處于理論研究、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和項(xiàng)目示范階段。風(fēng)電制氫，就是將風(fēng)力發(fā)出的電直接通過電解水制氫設(shè)備將電能轉(zhuǎn)化為氫氣，具體過程為：風(fēng)力發(fā)電→電解水制氫→氫能→應(yīng)用。

電解水制氫的原理是：在充滿電解液的電解槽中通入直流電，水分子在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，分解成氫氣和氧氣。根據(jù)電解槽隔膜材料的不同，電解水制氫主要分為堿性電解水（AKT）、質(zhì)子交換膜電解水（PEM）和固體氧化物電解水（SOEC）3種類型[14]，其技術(shù)特點(diǎn)對比如表2所示。

表2 不同電解水制氫技術(shù)特點(diǎn)對比表

以上技術(shù)中，AKT技術(shù)適合大規(guī)模制氫，價(jià)格較便宜，但效率偏低，已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。PEM效率較AKT更高且具有啟動(dòng)時(shí)間快和功率負(fù)載范圍大的特點(diǎn)，更適應(yīng)電力波動(dòng)或間歇負(fù)載，因此很適合成為可再生能源的儲(chǔ)能系統(tǒng)。SOEC制氫技術(shù)可在高溫下工作，部分電能可由熱能替代，是3種電解槽中效率最高的設(shè)備，反應(yīng)后的廢熱可與汽輪機(jī)、制冷系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合循環(huán)利用，綜合效率可超過90%。目前AKT技術(shù)最為成熟，未來隨著PEM技術(shù)的發(fā)展，其耐功率波動(dòng)以及快速響應(yīng)的特點(diǎn)使其更適合與可再生能源結(jié)合進(jìn)行高效率的制氫。而高溫SOEC技術(shù)由于具備綜合效率高的特點(diǎn)，將成為未來電解水技術(shù)發(fā)展的重要方向。

3.2 儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域

氫是所有元素中最輕的，在常溫常壓下為氣態(tài)，因此其高密度儲(chǔ)存一直是一個(gè)世界級(jí)難題。氫儲(chǔ)運(yùn)是氫能產(chǎn)業(yè)的中游環(huán)節(jié)，而且是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。開發(fā)安全、高效、廉價(jià)、高密度的氫儲(chǔ)運(yùn)方式一直是氫能領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。氫儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域關(guān)鍵問題的突破，將推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)繁榮發(fā)展。

3.2.1 儲(chǔ)氫方式

儲(chǔ)氫的方式主要分為氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫（儲(chǔ)氫材料）[15]，其基本涵義如圖6所示。目前最常用的是高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫，尤其中國有關(guān)高壓氫氣瓶的生產(chǎn)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，國內(nèi)生產(chǎn)有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型瓶，Ⅳ型瓶也處于產(chǎn)業(yè)化初期階段。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫方式具有儲(chǔ)氫密度高的特點(diǎn)，適合長距離運(yùn)輸，但耗能較大。固態(tài)儲(chǔ)氫方式具有儲(chǔ)氫密度高、壓力低、安全性好的優(yōu)勢，但質(zhì)量密度不高。氫基化合物（包括LOHC、氨、醇類、甲酸等）可在常溫常壓下操作，安全方便，儲(chǔ)氫密度高，但其應(yīng)用條件較為繁雜。幾種不同類型的儲(chǔ)氫技術(shù)的對比如表3所示。

圖6 儲(chǔ)氫方式的分類圖

表3 不同儲(chǔ)氫方式對比表

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫由于其技術(shù)成熟、產(chǎn)業(yè)化程度高，在當(dāng)前和近期都將是主要的儲(chǔ)氫方式，未來將隨著燃料電池車的推廣而有更加廣泛的發(fā)展空間。固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)的應(yīng)用場景廣泛，現(xiàn)在受制于材料和系統(tǒng)問題，未來將隨著關(guān)鍵問題的解決而得到推廣。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫現(xiàn)主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，應(yīng)該會(huì)走向工業(yè)及民用市場，如供給工業(yè)和加氫站用氫等。有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫還需要充分驗(yàn)證，未來將隨著技術(shù)進(jìn)步而有更為廣闊的空間。

3.2.2 運(yùn)氫方式

氫的輸運(yùn)方式主要有高壓氣態(tài)輸運(yùn)、液態(tài)輸運(yùn)、管道輸運(yùn)和固態(tài)輸運(yùn)4種方式，每種方式又包含不同的運(yùn)氫技術(shù)，其內(nèi)容如表4所示。

表4 不同運(yùn)氫方式對比表

現(xiàn)在運(yùn)氫方式最為成熟的是高壓長管拖車的方式，適合在城市內(nèi)運(yùn)輸，滿足短途內(nèi)輸氫的需求。低溫液氫運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備技術(shù)已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，并逐漸走向產(chǎn)業(yè)化，未來將成為民用氫能領(lǐng)域的重要運(yùn)氫方式。另外，純氫管道運(yùn)輸由于造價(jià)高，現(xiàn)在未獲普及，未來將隨著工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大而逐步走向應(yīng)用。值得關(guān)注的是天然氣摻混氫氣輸運(yùn)方式，該方式可利用現(xiàn)有的天然氣管道進(jìn)行輸氫，尤其適用于民用建筑領(lǐng)域，可在不替換家用炊具的情況下，實(shí)現(xiàn)減少天然氣消耗的目的。與興建純氫輸氫管道相比，天然氣管道摻氫輸氫技術(shù)更具經(jīng)濟(jì)性。未來，隨著東部等發(fā)達(dá)地區(qū)氫氣需求增長，利用“氫能胡煥庸線”西北地區(qū)廉價(jià)的可再生電力資源制取氫氣，摻入天然氣管道，有望實(shí)現(xiàn)氫氣的大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送，有助于解決中國能源地域分布不平衡等問題，促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

3.2.3 液態(tài)陽光

“液態(tài)陽光”指生產(chǎn)過程中碳排放極低或?yàn)榱銜r(shí)制得的甲醇[16]，也可稱為 “綠色甲醇”。除液態(tài)陽光外，還有“固體陽光”，即可用作生物質(zhì)制氫的陸生與水生植物；“氣體陽光”即綠氫、綠色合成氨以及綠色天然氣等?，F(xiàn)有液態(tài)陽光的定義較為單一，而其真實(shí)內(nèi)涵的范圍很廣，除已提及的醇類如甲醇、乙醇外，還有酸類，比如甲酸等。如圖7所示，液態(tài)陽光的制備及應(yīng)用過程可簡述為：首先利用可再生能源制綠氫，然后將綠氫與捕集到的CO2與水結(jié)合制甲醇，終端消耗甲醇后放出的CO2利用CCUS技術(shù)進(jìn)行回收，而后再運(yùn)送到上游制甲醇。由于CO2僅參與綠氫合成甲醇，其功能相當(dāng)于氫氣載體，并未向大氣層排放，實(shí)現(xiàn)了甲醇全生命周期零碳的目標(biāo)，構(gòu)成了內(nèi)部碳循環(huán)，因此該方式是一種氣候中性的零碳技術(shù)，更為關(guān)鍵的是，甲醇易于存儲(chǔ)且輸運(yùn)方便，可以有效避免單純氫儲(chǔ)運(yùn)帶來的難題，因此具有廣闊的前景。

圖7 液態(tài)陽光制備及應(yīng)用示意圖

甲醇是基礎(chǔ)有機(jī)原料之一，是關(guān)鍵的化工產(chǎn)品，在化工行業(yè)發(fā)揮著非常重要的基礎(chǔ)材料支撐作用。從2013年起，中國甲醇產(chǎn)量逐年提高，至2020年，中國甲醇產(chǎn)能和產(chǎn)量分別達(dá)到9 853×104t和6 357×104t，共需要超過800×104t的氫氣，而這些氫氣基本來自煤制氫，因此大約排放CO2約1 600×104t。如果采用液態(tài)陽光的方式，則可有效避免這部分碳排放。

液態(tài)陽光技術(shù)也被認(rèn)為是一種CCUS技術(shù)，然而，液態(tài)陽光是否能起到固碳的作用取決于甲醇的應(yīng)用場景，不同場景下的固碳效果如表5所示。液態(tài)陽光在不同的應(yīng)用場合下具有不同的固碳效果：雖然液態(tài)陽光在當(dāng)作燃料時(shí)會(huì)釋放CO2，不具備固碳效果，但從全生命周期的角度看，其吸收的CO2和排放的CO2的數(shù)量相當(dāng)，因此依然屬于零碳技術(shù)，具有非常好的應(yīng)用前景；當(dāng)液態(tài)陽光當(dāng)作化工原料使用時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)長期固碳，同時(shí)，由于利用可再生能源制甲醇代替了傳統(tǒng)的煤制甲醇，實(shí)現(xiàn)了化工原料的煤炭替代，是一種綠色化工技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)化工行業(yè)減碳的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了CO2的資源利用，具有多重協(xié)同效應(yīng)。當(dāng)前，液態(tài)陽光發(fā)展的瓶頸在于成本較高，其主要成本來自于綠氫成本，未來隨著綠氫成本的降低將獲得更廣泛的應(yīng)用。

表5 液態(tài)陽光的固碳效果表

3.2.4 綠色合成氨

由于液態(tài)氨在常溫常壓下H元素的含量為120 g/L，而超低溫加壓液態(tài)氫的H元素含量為71 g/L，且合成氨的能耗與氫液化的能耗相當(dāng)，因此氨被看作是氫的有效載體。合成氨技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段，其技術(shù)對比如表6所示。

表6 合成氨技術(shù)對比表

綠色合成氨即是由表6中所示第二代與第三代技術(shù)制得氨的統(tǒng)稱。第二代技術(shù)的好處是，現(xiàn)有的H-B工廠可以過渡到這種新的氨氣供應(yīng)，而不會(huì)造成重大破壞或擱置[17]。第三代直接電還原技術(shù)面臨許多阻礙其進(jìn)一步發(fā)展的障礙，這些挑戰(zhàn)包括同時(shí)提高能源效率與生產(chǎn)率經(jīng)常存在沖突。從根本上說，如果可以制造具備足夠選擇性的催化劑，就可以克服熱力學(xué)障礙來達(dá)到能效目標(biāo)。近年來，解決這一挑戰(zhàn)的水性電催化途徑一直存在著假陽性問題[18]，但是在未來十年發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化用于該工藝的真正催化劑的目標(biāo)顯然仍然有效。氨作為燃料和氫載體可以運(yùn)用到許多場合，基于綠色合成氨可構(gòu)成以N和H為基本元素的“氨”經(jīng)濟(jì)[17]，如圖8所示。

氨最初被視為氫能的載體，在輸送點(diǎn)需要將NH3裂解為H2和N2，再進(jìn)行分配使用。在過去的幾年中，氨能源應(yīng)用的前景已大大擴(kuò)展，現(xiàn)在包括直接將氨用作燃料，包括船用燃油，重型運(yùn)輸車輛、公共汽車燃料，或小型、中型和大型發(fā)電機(jī)使用的直接氨燃料電池，以及用作動(dòng)力渦輪機(jī)甚至噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料等。因此，在幾乎所有應(yīng)用中，氨都有可能成為化石燃料的替代品。重要的是，在這些應(yīng)用場景中都沒有CO2的排放，是一種零碳能源。因此以“綠色合成氨”為基礎(chǔ)的“氨經(jīng)濟(jì)”，其范圍已從氫的運(yùn)輸方式拓展到零碳能源載體的范疇，成為未來促進(jìn)能源體系深度脫碳的重要措施。然而，綠色合成氨依然面臨著泄漏造成的環(huán)境安全問題，使用過程中帶來的NOx排放問題以及制造成本高等帶來的挑戰(zhàn)，未來綠色合成氨的發(fā)展將在安全性、提高能效和經(jīng)濟(jì)性的角度重點(diǎn)著力，發(fā)展成為重要的零碳能源載體之一。

圖8 “氨經(jīng)濟(jì)”示意圖

3.2.5 綠色天然氣

綠色天然氣是一種人工合成的天然氣，與液態(tài)陽光的制造過程類似，利用已捕獲的CO2與綠氫結(jié)合生成甲烷。其制造和運(yùn)用的具體涵義如圖9所示。綠色天然氣的最大優(yōu)勢是可以利用現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)進(jìn)行運(yùn)輸，解決了氫運(yùn)輸?shù)碾y題。在應(yīng)用端可以有2種應(yīng)用方式（圖9）：①直接供給終端用戶使用，排出的CO2直接排空或者通過CCUS技術(shù)捕集起來循環(huán)使用，從全生命周期的角度看，可以成為氣候中性的零碳技術(shù)；②通過高溫裂解制純氫和固態(tài)炭黑，獲得的純氫供給終端用戶使用，炭黑則可成為工業(yè)原料使用，是一種負(fù)碳技術(shù)。當(dāng)前終端用戶更傾向于直接燃燒使用，但未來通過高溫裂解制氫的技術(shù)則更有吸引力。

圖9 綠色天然氣示意圖

中國現(xiàn)在天然氣的對外依存度超過40%，發(fā)展綠色天然氣技術(shù)不僅有利于解決氫運(yùn)輸?shù)碾y題，也有利于增加中國天然氣的供給能力，保障能源安全，未來隨著技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用可明顯降低成本，具有更強(qiáng)的競爭力。

3.2.6 儲(chǔ)運(yùn)方式對比分析

除上述各種氫儲(chǔ)運(yùn)方式外，還有氫氣地下儲(chǔ)存技術(shù)，包括將氫儲(chǔ)存到地下洞穴、鹽丘、衰竭油氣藏等。各種氫儲(chǔ)運(yùn)方式有各自的特點(diǎn)和適用范圍，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、可行性及CO2排放的角度，各類技術(shù)對比如表7所示。

表7 各類氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對比表

如果將技術(shù)發(fā)展的各主要因素根據(jù)其表現(xiàn)分為1、2、3級(jí)（1為普通，2為良好，3為優(yōu)秀，下同），則可對各類儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)分不同的側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行量化對比，技術(shù)可行性對比如表8所示；如果從儲(chǔ)氫規(guī)模、時(shí)間及溫室氣體排放的角度進(jìn)行對比，其結(jié)果如表9所示。

表8 各類氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)可行性對比表

表9 技術(shù)效果與溫室氣體排放對比表

由以上分析可知，如果是短時(shí)間、近距離、數(shù)量不大的氫儲(chǔ)運(yùn)，那么高壓氣瓶儲(chǔ)氫、長管拖車運(yùn)氫是好的選擇。如果需要長時(shí)間穩(wěn)定儲(chǔ)氫，不需要運(yùn)輸，固態(tài)儲(chǔ)氫則更具優(yōu)勢。如果需要大量、遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，則液氫與管道輸氫方式較好。液態(tài)陽光、綠色合成氨、綠色天然氣都是綠色氫基燃料，既是能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模氫儲(chǔ)運(yùn)的優(yōu)秀介質(zhì)，也是現(xiàn)代綠色化工發(fā)展的必然方向。以綠色氫基燃料代替現(xiàn)有的甲醇、氨及天然氣將能夠大量減排CO2，促進(jìn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此，未來應(yīng)加強(qiáng)液態(tài)陽光、綠色合成氨和綠色天然氣技術(shù)的研發(fā)，推動(dòng)在氫的“儲(chǔ)、運(yùn)、加注、用”環(huán)節(jié)的應(yīng)用，擴(kuò)大市場份額、創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。

3.3 重點(diǎn)用氫領(lǐng)域

氫氣在傳統(tǒng)石化行業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)有長期、大量的應(yīng)用。近年來氫氣火熱的應(yīng)用方向主要是在交通領(lǐng)域。事實(shí)上，氫能在其他領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用空間，在“雙碳”目標(biāo)下，應(yīng)促進(jìn)其在難減排行業(yè)的應(yīng)用，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)部門的深度脫碳。由于氫能在交通領(lǐng)域的應(yīng)用已有大量研究，本文重點(diǎn)討論其他領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.3.1 綠氫化工

石油煉化、煤化工等化工行業(yè)是氫氣消費(fèi)的最主要的領(lǐng)域，綠氫化工的涵義就是指以綠氫替代灰氫，為此類工業(yè)的脫碳提供支撐。在石油煉化方面，國際上，歐洲、美國等都提出了整體的綠氫發(fā)展目標(biāo)，而著名的國際石油公司，如殼牌、雪佛龍等也都展開了綠氫對灰氫的替代研究和項(xiàng)目示范，即利用可再生能源電力制氫，以替代煉化過程所采用的化石能源制氫。中國企業(yè)也開展了這方面的工作，中石化第一個(gè)綠氫煉化項(xiàng)目——內(nèi)蒙古鄂爾多斯綠電制氫項(xiàng)目總投資約26億元，規(guī)劃年制氫2×104t，計(jì)劃于2022年投產(chǎn)。另外，中石化還計(jì)劃力爭建成50×104t /a非化石能源制氫能力，5年累計(jì)綠氫產(chǎn)量將超過100×104t。

煤化工是以煤為原料，經(jīng)過化學(xué)加工使煤轉(zhuǎn)化為氣體、液體、固體燃料以及化學(xué)品等過程。煤化工可以簡單分為傳統(tǒng)煤化工和現(xiàn)代煤化工，原料都是煤炭，但產(chǎn)品各不相同。傳統(tǒng)煤化工主要產(chǎn)品是尿素、復(fù)合肥、焦炭和PVC，現(xiàn)代煤化工的產(chǎn)品則主要是甲醇及下游醋酸、聚烯烴（乙烯、丙烯）、乙二醇、煤制油等。效益上，考慮投資成本、產(chǎn)品等情況也各不相同。煤化工是中國重要的支柱工業(yè)，全國70%的工業(yè)燃料和動(dòng)力、80%的民用商品能源、60%的化工原料是由煤炭提供的。同時(shí)，煤化工屬于碳排放的重點(diǎn)領(lǐng)域且屬于減排難度較大的領(lǐng)域?！半p碳”目標(biāo)對煤化工產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型提出了更高要求。煤化工產(chǎn)業(yè)既是氫氣的最大制造來源，也是重要的使用領(lǐng)域。推動(dòng)藍(lán)氫和綠氫在煤化工產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)中國“雙碳”目標(biāo)的重要路徑。

根據(jù)煤炭工業(yè)“十四五”現(xiàn)代煤化工發(fā)展指導(dǎo)意見[19]，“十四五”期間，中國將充分發(fā)揮煤炭的工業(yè)原料功能，有效替代油氣資源，保障國家能源安全，著力打通煤油氣、化工和新材料產(chǎn)業(yè)鏈，拓展煤炭全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展空間。預(yù)計(jì)到2025年，中國煤制油的產(chǎn)能為1 200×104t/a，煤制天然氣的產(chǎn)能為150×108m3/年，煤制烯烴的產(chǎn)能為1 500×104t/a，煤制乙二醇的產(chǎn)能為800×104t/a，焦炭的產(chǎn)能為6.3×108t/a，煤化工市場空間依然巨大，由此帶來的減排壓力也更大。因此，必須推動(dòng)煤化工行業(yè)技術(shù)的更新?lián)Q代，以更加清潔、低碳的生產(chǎn)方式替代原有生產(chǎn)方式，才能促進(jìn)煤化工行業(yè)減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。前文述及的“液態(tài)陽光”“綠色合成氨”以及“綠色天然氣”等就是綠氫在煤化工領(lǐng)域的重要應(yīng)用。綠氫煤化工的基本涵義如圖10所示。

圖10 綠氫煤化工基本涵義示意圖

如圖10所示，綠氫煤化工的作用主要在于以下兩個(gè)方面：①利用可再生能源代替化石能源制氫，在減少化石能源消耗的同時(shí)，也降低了相關(guān)的CO2排放；②利用捕集到的CO2作為原料，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部碳循環(huán)，符合低碳產(chǎn)業(yè)的基本要求。因此，發(fā)展綠氫煤化工是實(shí)現(xiàn)中國煤化工產(chǎn)業(yè)低碳化發(fā)展、建設(shè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系的有效措施。在實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”目標(biāo)階段，在加強(qiáng)煤化工行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)運(yùn)用的同時(shí)，應(yīng)著力推動(dòng)綠氫煤化工技術(shù)研發(fā)，擴(kuò)大市場份額，降低應(yīng)用成本。在“碳達(dá)峰”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)后，應(yīng)大力推廣綠氫煤化工技術(shù)，推動(dòng)煤化工行業(yè)深度減排，為最終實(shí)現(xiàn)“碳中和”提供支撐。

3.3.2 氫冶金

鋼鐵是全球應(yīng)用最廣泛的金屬，其生產(chǎn)規(guī)模決定了它是碳排放最大的單一來源之一，也因此成為對脫碳至關(guān)重要的行業(yè)。鋼鐵行業(yè)是化石能源消耗密集型行業(yè)，相關(guān)溫室氣體排放約占世界總排放量的7%，占中國碳排放總量的16%，是國內(nèi)碳排放量最高的制造業(yè)行業(yè)。全球近75%的鋼鐵生產(chǎn)采用高爐（煉鐵）—轉(zhuǎn)爐（煉鋼）工藝，生產(chǎn)過程會(huì)向環(huán)境排放大量的CO2、硫化物、氮氧化物、污水等。以鋼鐵行業(yè)為代表的冶金行業(yè)既是節(jié)能減排的重點(diǎn)領(lǐng)域，也是難減排的領(lǐng)域之一。現(xiàn)有的鋼鐵業(yè)實(shí)現(xiàn)近零碳排放的方法包括：回收再生產(chǎn)、氫冶金、碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)、電氣化與清潔電力、替代性煉鐵流程以及碳抵消等，而鋼鐵行業(yè)需要綜合采用上述技術(shù)來實(shí)現(xiàn)完全脫碳。在這其中，氫冶金由于能夠有效促進(jìn)鋼鐵行業(yè)全流程零碳而備受關(guān)注。

氫冶金并非新興領(lǐng)域，早在1969年美國Midrex工廠采用氫氣比例超過50%的還原氣體生產(chǎn)了約9.55×108t直接還原鐵，開始了對氫冶金工藝的嘗試，隨后歐美各國逐步開始?xì)湟苯鸸に嚨奶剿鳌＝陙?，在全球“脫碳”浪潮背景下，同時(shí)也在氫能全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不斷完善情況下，氫冶金發(fā)展具備著可能性和必要性。氫冶金工藝目前主要包括高爐富氫煉鐵新技術(shù)、氣基直接還原工藝、氫等離子直接煉鋼工藝等。近年來國際氫冶金主要項(xiàng)目情況如表10所示。

表10 國際氫冶金項(xiàng)目情況總結(jié)表

從生產(chǎn)工藝來看，鋼鐵行業(yè)碳排放主要在于長流程生產(chǎn)工藝是以煤炭為能源、焦炭為還原劑來進(jìn)行輔助冶煉，而煤炭和焦炭是鋼鐵行業(yè)產(chǎn)生CO2排放的主要來源。鋼企需要從碳輸入層面減少鋼鐵生產(chǎn)過程中的碳使用量（甚至不用碳），在這方面，瑞典鋼鐵HYBRIT項(xiàng)目、SALCOS項(xiàng)目和H2FUTURE項(xiàng)目等都是有益的探索。寶鋼集團(tuán)、河鋼集團(tuán)、酒鋼集團(tuán)等國內(nèi)鋼鐵企業(yè)也在開展氫能冶金的研究和示范項(xiàng)目。

根據(jù)氫氣的不同來源，現(xiàn)有的氫基豎爐煉鐵產(chǎn)業(yè)鏈的工藝路線主要有：煤直接氣化制氫耦合還原鐵、焦?fàn)t煤氣制氫耦合還原鐵、多能協(xié)同互補(bǔ)制氫耦合還原鐵、非常規(guī)天然氣制氫耦合還原鐵、低階煤改性結(jié)焦氣化一體化富氫燃料氣耦合還原鐵等[20-22]，各類技術(shù)對比如表11所示。

氣基豎爐直接還原鐵技術(shù)是未來氫冶金的主要方向，但需說明的是，高爐—轉(zhuǎn)爐工藝是當(dāng)前中國鋼鐵行業(yè)的主要工藝，因此利用氫能提高高爐—轉(zhuǎn)爐工藝的效率，減少化石能源消耗、降低碳排放具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。需注意的是，與豎爐工藝不同，高爐利用氫能不能實(shí)現(xiàn)全流程零碳。這是因?yàn)?，高爐中的焦炭不僅僅作為提供能源的燃料使用，更重要的是作為還原劑，起到鐵礦石骨架支撐的作用，因此不能用氫對高爐中的焦炭進(jìn)行完全替代。相比利用焦炭作為燃料，高爐利用氫能可以減少約20%的CO2排放量。

另外，鋼鐵生產(chǎn)副產(chǎn)物煤氣中含有大量的CO、氫氣，這些不僅是氣體燃料，也是寶貴的化工原料，具備發(fā)展鋼化聯(lián)產(chǎn)（以鋼鐵流程煤氣資源為紐帶，鋼鐵與化工領(lǐng)域聯(lián)動(dòng)）的基礎(chǔ)，成本優(yōu)勢明顯，氫氣可與副產(chǎn)物CO和CO2化合生產(chǎn)清潔能源或者高附加值化工產(chǎn)品，延長鋼鐵生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈，大量減少氣體污染物排放，減少直接煤化工產(chǎn)量，互補(bǔ)性構(gòu)建鋼鐵—化工生態(tài)產(chǎn)業(yè)。根據(jù)表11中所列不同氫源的技術(shù)路徑，鋼化聯(lián)產(chǎn)整體技術(shù)方案如圖11所示。以氫為紐帶，可以將鋼鐵產(chǎn)業(yè)和化工產(chǎn)業(yè)有效結(jié)合起來，構(gòu)建跨行業(yè)和能源體系的綠色、低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，促進(jìn)能源、化工與鋼鐵行業(yè)的有機(jī)融合，并為中國CO2減排提供全面、徹底、可持續(xù)發(fā)展的解決方案[23]。

表11 不同氫源耦合直接還原鐵（DRI）技術(shù)路徑對比表

圖11 氫冶金及鋼化聯(lián)產(chǎn)路線示意圖

氫冶金技術(shù)在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用在近兩年出現(xiàn)高潮，目前氫能產(chǎn)業(yè)投資大、周期長，短期內(nèi)難以盈利。針對氫冶金工藝，中國也仍然存在諸多問題尚未解決，例如高爐噴吹富氫氣體比例、低成本制氫氣、氫氣存儲(chǔ)、氫冶金技術(shù)等。中國氫冶金發(fā)展起步較晚，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈尚不健全，未來隨著中國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，低成本制取“綠氫”、儲(chǔ)氫和加氫等關(guān)鍵技術(shù)有所突破，氫的新能源大規(guī)模使用以及成本的快速下降，將會(huì)是中國大規(guī)模發(fā)展氫冶金工藝的最佳時(shí)期。在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)的第一階段，應(yīng)注意高爐通氫的研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，降低高爐—轉(zhuǎn)爐工藝的碳排放，并加強(qiáng)有關(guān)純氫冶煉工藝的基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)研發(fā)。在從“碳達(dá)峰”到“碳中和”的第二階段，應(yīng)著力推廣純氫冶煉技術(shù)，推動(dòng)中國鋼鐵、冶金行業(yè)的深度減排。

3.3.3 氫能電力系統(tǒng)

電力系統(tǒng)的清潔化是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵措施。中國現(xiàn)有電力來源以化石能源發(fā)電（主要是燃煤）為主，未來需要以大比例的可再生能源替代現(xiàn)有的化石能源發(fā)電，促進(jìn)電力系統(tǒng)的深度脫碳。然而，可再生能源發(fā)電具有不穩(wěn)定、成本高，對電網(wǎng)建設(shè)要求高等特點(diǎn)。這就需要有相關(guān)的儲(chǔ)能技術(shù)以平衡電網(wǎng)負(fù)荷、保障電力輸出的穩(wěn)定。前文已述及，利用棄風(fēng)、棄光制氫是促進(jìn)可再生能源大比例消納和靈活消納的有效方式，同時(shí)，氫儲(chǔ)能也是一種有效的儲(chǔ)能方式，可滿足分布式可再生能源系統(tǒng)建設(shè)的需要，因此，構(gòu)建以氫以及氫基化合物（如合成氨等）為基礎(chǔ)燃料的清潔、低碳的電力系統(tǒng)，將為中國電力系統(tǒng)的深度脫碳化發(fā)展提供有效選擇。氫能電力系統(tǒng)的涵義及基本構(gòu)成如圖12所示。

圖12 氫能電力系統(tǒng)涵義及基本構(gòu)成圖

氫能電力系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分：制氫系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、氫能發(fā)電系統(tǒng)。氫能電力系統(tǒng)技術(shù)是利用了電—?dú)洹娀プ冃远l(fā)展起來的。其基本原理就是將水電解得到氫氣和氧氣。在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中，電力間歇產(chǎn)生和傳輸被限的現(xiàn)象常有發(fā)生，利用富余的、非高峰的或低質(zhì)量的電力大規(guī)模制氫，將電能轉(zhuǎn)化為氫能儲(chǔ)存起來；在電力輸出不足時(shí)利用氫氣通過燃料電池、燃?xì)廨啓C(jī)或其他方式轉(zhuǎn)換為電能輸送上網(wǎng)。另外，還可將此過程中生產(chǎn)的氫氣輸送終端用戶，發(fā)揮氫能特性，以滿足終端用戶的需求。例如，在工業(yè)供熱部門可利用氫氣熱值高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高溫供熱，以替代工業(yè)供熱過程中的化石能源消耗，促進(jìn)該領(lǐng)域的深度減排。因此，氫能電力系統(tǒng)有效利用了氫能特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了氫—電協(xié)同，為中國難減排領(lǐng)域的深度脫碳提供了可行性選擇。氫能電力系統(tǒng)可用于如下領(lǐng)域：

1）可再生能源大規(guī)模消納。將電解水制氫技術(shù)用于可再生能源發(fā)電場景，在提升可再生能源發(fā)電規(guī)?；{的同時(shí)，還能夠優(yōu)化可再生能源發(fā)電的出線容量，從而降低電網(wǎng)建設(shè)的投資，提高輸電線路的利用率[24]。

2）調(diào)峰調(diào)頻輔助服務(wù)。在用電高峰時(shí)可利用具備快速響應(yīng)及啟停能力的電解水制氫系統(tǒng)（如PEM系統(tǒng)），進(jìn)行調(diào)峰調(diào)頻輔助服務(wù)[25]。同時(shí)利用氫能發(fā)電系統(tǒng)可在電網(wǎng)超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)用作調(diào)峰機(jī)組，以滿足電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的需求。

3）削峰填谷、需求側(cè)響應(yīng)。電解制氫系統(tǒng)可在用戶側(cè)利用谷電制氫實(shí)現(xiàn)調(diào)峰，也可通過電力需求側(cè)實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)，作為靈活負(fù)荷參與需求側(cè)響應(yīng)。未來隨著規(guī)?；臍鋬?chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用，可利用儲(chǔ)氫實(shí)現(xiàn)跨季調(diào)峰等應(yīng)用[26]。

4）分布式能源系統(tǒng)。將氫能電力系統(tǒng)用于構(gòu)建分布式能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可再生能源的靈活消納，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)氫、熱、電聯(lián)供，為園區(qū)、社區(qū)及偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行供能，并可作為備用電源，與電力、熱力等能源品種實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互補(bǔ)[27-28]，提高能源利用效率。

5）遠(yuǎn)海風(fēng)能資源開發(fā)。利用遠(yuǎn)海風(fēng)能發(fā)電制氫是對遠(yuǎn)海風(fēng)能資源開發(fā)的一種有效手段，可以避免開發(fā)遠(yuǎn)海風(fēng)電所帶來的大規(guī)模海底電纜建設(shè)難度大、管理困難、投資及運(yùn)行成本高等問題。使得遠(yuǎn)海的海上風(fēng)能資源除了直接發(fā)電還有制氫的出路，然后再輸送到陸地上通過燃料電池或者氫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，就可以有效利用遠(yuǎn)海風(fēng)能資源，促進(jìn)電力系統(tǒng)深度脫碳。

氫能電力系統(tǒng)在國際上已有示范應(yīng)用，部分國家的示范項(xiàng)目如表12所示。

表12 部分國家氫能電力系統(tǒng)示范項(xiàng)目表

在氫能電力系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域，歐、美、日等國家和地區(qū)起步較早，走在世界前列，已經(jīng)取得了較大成果。在國內(nèi)，氫能電力系統(tǒng)目前還處于示范應(yīng)用階段。國內(nèi)主要示范項(xiàng)目如表13所示。

表13 國內(nèi)主要?dú)淠茈娏ο到y(tǒng)示范項(xiàng)目表

在氫發(fā)電側(cè)，氫能電力系統(tǒng)主要的發(fā)電方式為燃料電池。燃料電池類型主要包括堿性電解質(zhì)、質(zhì)子交換膜、磷酸、熔融碳酸鹽和固體氧化物燃料電池。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)效率可達(dá)45%～50%，處于商業(yè)化前沿。固體氧化物整體效率可超過90%，但固體氧化物燃料電池（SOFC）系統(tǒng)運(yùn)行溫度高，啟動(dòng)速度較慢且對材料要求高，現(xiàn)在仍處在研發(fā)和示范階段，未來質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池更具發(fā)展前景。

氫發(fā)電的另一條技術(shù)路線是氫燃?xì)廨啓C(jī)，美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家在氫燃?xì)廨啓C(jī)的開發(fā)和應(yīng)用上走在世界前列。相關(guān)技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化情況如表14所示。

表14 國際氫燃?xì)廨啓C(jī)開發(fā)情況表

中國一直重視有關(guān)氫燃?xì)廨啓C(jī)的開發(fā)和應(yīng)用。中國重燃計(jì)劃在國電投湖北公司荊門工廠的F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)上進(jìn)行摻氫燃燒試驗(yàn)，通過試驗(yàn)研究及示范驗(yàn)證，推動(dòng)中國首個(gè)氫混燃機(jī)示范項(xiàng)目落地，為電力系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型提供解決方案[35]。中國重燃還提出了“電—?dú)洹姟蹦Ｊ?，?021年3月正式啟動(dòng)“電—?dú)洹姟蹦Ｊ较嚓P(guān)研究工作，并針對西藏地區(qū)的資源稟賦特點(diǎn)，提出了《西藏地區(qū)“電—?dú)洹姟蹦Ｊ桨l(fā)展規(guī)劃》，計(jì)劃在西藏建設(shè)全球首個(gè)氫—氧綜合利用的“風(fēng)光電—?dú)洹姛帷笔痉俄?xiàng)目。該示范項(xiàng)目依托西藏沛德堆龍德慶30 MW牧光互補(bǔ)復(fù)合并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)“氫氧”共用，提升經(jīng)濟(jì)效益，是國內(nèi)首個(gè)純氫燃?xì)廨啓C(jī)示范項(xiàng)目[36]。

氫燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)現(xiàn)集中于天然氣混氫的研發(fā)和示范，未來將開發(fā)純氫燃?xì)廨啓C(jī)。純氫燃?xì)廨啓C(jī)的主要難點(diǎn)在于材料工藝和燃燒時(shí)產(chǎn)生的NOx排放處理問題，高性能燃?xì)廨啓C(jī)材料研發(fā)以及低NOx排放技術(shù)是未來發(fā)展的重點(diǎn)。

氫能電力系統(tǒng)相較于其他可再生能源電力系統(tǒng)的劣勢在于能源轉(zhuǎn)化效率低、投資成本高。目前氫能電力系統(tǒng)的整體電—?dú)洹姷哪芰啃蕛H約30%，能量損失高于其他常用的可再生能源系統(tǒng)。與發(fā)達(dá)國家相比，中國的氫能電力系統(tǒng)在核心裝備如燃料電池關(guān)鍵材料、工藝，燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備研發(fā)和制造等方面還有很大的差距，未來應(yīng)加大對于關(guān)鍵材料和零部件的研發(fā)，間接推動(dòng)氫能電力系統(tǒng)等規(guī)?；瘹淠茉磻?yīng)用模式試點(diǎn)示范，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量穩(wěn)健發(fā)展。

3.3.4 民用氫能

引導(dǎo)氫能進(jìn)入居民能源消費(fèi)終端，將有利于減少居民建筑用能帶來的CO2排放?？萍疾刻岢隽恕皻溥M(jìn)萬家”科技示范工程[37]，探索氫能在居民終端領(lǐng)域的應(yīng)用，促進(jìn)氫能社會(huì)的建設(shè)。民用氫能主要有天然氣摻氫燃燒、氫能供熱、供電等。

3.3.4.1 天然氣摻氫燃燒

天然氣開發(fā)利用是中國推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命的重要路徑之一。中國是天然氣消費(fèi)大國，對外依存度已超過40%。天然氣除了依賴進(jìn)口之外，還存在區(qū)域性供需錯(cuò)配和消費(fèi)季節(jié)性特征。在中國北方地區(qū)，天然氣消費(fèi)在冬夏季存在明顯的峰谷差，供需缺口（消費(fèi)—產(chǎn)量）在冬季趨于上升趨勢，一旦管道輸送出現(xiàn)問題就可能造成供氣緊張 。常規(guī)的調(diào)峰保供措施不足以彌補(bǔ)冬季的需求缺口，需進(jìn)行季節(jié)性調(diào)峰來保障穩(wěn)定供氣。中國天然氣地域性供需不匹配等問題可通過天然氣管道的合理、有效分布予以解決。而通過天然氣摻氫供給居民終端消費(fèi)，可減少對天然氣的消耗，保證國內(nèi)能源供應(yīng)，維護(hù)能源安全，同時(shí)碳排放的減少有利于實(shí)現(xiàn)“雙碳”的遠(yuǎn)景目標(biāo)。隨著能源綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展，“綠電＋綠氫＋天然氣摻氫燃燒”，或?qū)⒊蔀榭稍偕茉蠢玫男路桨福矂荼貙?huì)推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的加速發(fā)展。

天然氣管道摻氫輸送供給居民用能，一直是國內(nèi)外氫氣輸運(yùn)和規(guī)?；玫闹匾芯糠较?。歐美等發(fā)達(dá)國家天然氣市場起步較早，對天然氣摻氫的應(yīng)用已有多年探索。相關(guān)研究如表15所示。

表15 國際天然氣摻氫研究情況示意表

從國際對摻氫天然氣燃燒研究的情況看，摻氫后能使燃燒產(chǎn)生的CO2和氮氧化物的排放量大幅降低，環(huán)保效益明顯。中國天然氣摻氫仍處于初步研究階段，2019年后，國內(nèi)在天然氣管網(wǎng)摻氫項(xiàng)目上取得了突破性的進(jìn)展，部分項(xiàng)目如表16所示。

表16 國內(nèi)天然氣管網(wǎng)摻氫研究情況表

作為低碳燃料，天然氣摻氫在部分家用燃具中可直接代替天然氣使用。馬向陽等[47]研究發(fā)現(xiàn)，隨著天然氣摻氫比例的增加，家用燃?xì)庠畹囊淮慰諝庀禂?shù)逐漸增加，熱負(fù)荷逐漸下降，熱效率逐漸升高；天然氣摻氫后，家用燃?xì)庠顭煔庵械腃O、NO、NOx含量均低于純天然氣燃燒后的煙氣。羅子萱等[48]研究發(fā)現(xiàn)，摻氫比例體積分?jǐn)?shù)不應(yīng)高于20%，未發(fā)現(xiàn)安全性問題。家用燃?xì)饩叩臒煔馀欧胖笜?biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并且隨著氫氣的體積分?jǐn)?shù)增加，煙氣中CO與NOx排放量有所降低。

從國際、國內(nèi)的研究及項(xiàng)目實(shí)施的情況來看，摻氫天然氣面臨的難點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：①管道對氫的耐受性及引起的安全性問題。運(yùn)輸摻氫天然氣的管道及設(shè)備需要進(jìn)行全面的評(píng)估，充分考慮摻氫引起的泄漏速率加快、可燃范圍增大及燃燒速率加快等影響，全面研究摻氫天然氣的泄漏與燃燒爆炸問題。②從供給側(cè)而言，需要整合藍(lán)氫、綠氫等多種氫源，降低氫氣成本，使摻氫天然氣更具競爭力。②由于氫氣介質(zhì)的特殊性，各國對于天然氣摻氫含量的標(biāo)準(zhǔn)、政策的不確定性是最大的阻礙。③由于天然氣摻氫具備投資成本低，接觸終端客戶多，經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生快的特點(diǎn)，未來在技術(shù)及安全性標(biāo)準(zhǔn)方面的問題解決以后，產(chǎn)業(yè)化相對容易。天然氣摻氫作為低碳燃料，能夠降低溫室氣體和污染性氣體排放，且有助于通過擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模而降低制氫成本，這對于促進(jìn)民用部門“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有現(xiàn)實(shí)意義。

3.3.4.2 氫能供熱與供電

利用氫能向民用建筑進(jìn)行供熱和供電，將減少由于化石能源消耗而帶來的CO2排放，因此民用氫能中的供熱與供電一向是氫能應(yīng)用中關(guān)注的重點(diǎn)。國際上，日本、英國、德國、法國等都在進(jìn)行氫能供熱、供電相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品的研究、示范與產(chǎn)業(yè)化推廣。氫能供熱可以分為：天然氣摻氫燃燒供熱、純氫氣鍋爐供熱以及氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供等技術(shù)路線。

對于天然氣摻氫燃燒供熱，德國有研究表明，天然氣摻氫燃燒供熱僅比純天然氣供熱的溫室氣體排放減少7%左右，但卻使居民的用熱成本上漲33%以上[49]。該研究結(jié)果認(rèn)為，沒有哪個(gè)歐洲國家提出可為氫氣供熱提供巨額補(bǔ)貼，氫氣取暖的成本將全部由消費(fèi)者承擔(dān)，因此對于居民來說，采用氫氣取暖是非常不經(jīng)濟(jì)的。另外，用氫氣替代天然氣進(jìn)行供熱，將面臨氫源不足的問題。歐洲本身可再生能源資源較為有限，綠氫生產(chǎn)成本相對偏高，而依賴進(jìn)口也將會(huì)帶來綠氫運(yùn)輸成本較高的問題。

氫能燃燒供熱的另一大缺陷是效率較低。對于綠氫燃燒供熱來說，其供熱效率僅為60%，相對于空氣源熱泵技術(shù)擁有的120%以上的供熱效率而言，不具有效率優(yōu)勢。因此業(yè)界普遍認(rèn)為，歐洲無論大規(guī)模推廣純氫氣供熱還是天然氣摻氫燃燒供熱，其融資前景都將十分暗淡。

利用氫燃料電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)氫能的熱電聯(lián)供是一條可行的技術(shù)路線。日本在此領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位。日本開發(fā)的ENE-FARM是一種家用熱電共生系統(tǒng)[50]，該系統(tǒng)利用天然氣提取氫氣，注入燃料電池中發(fā)電，再用發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的熱能來供應(yīng)暖氣和熱水，整體熱電聯(lián)供的能源效率約為90%。成本高是阻礙氫燃料電池推廣應(yīng)用的重要因素，日本通過家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供計(jì)劃，從2005年起開始建設(shè)家用燃料電池示范項(xiàng)目，當(dāng)年安裝使用500套，成本800萬日元/套（約48萬元/套）。2009年后，在政府補(bǔ)貼政策和松下、東芝等廠商大力推廣下，進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段，到2017年，成本降至120～150萬日元/套（約8萬元/套），12年間成本下降80%以上。截至2019年底，日本已有超過26萬戶家庭安裝了氫能源燃料電池。到2030年，日本政府計(jì)劃讓氫能源燃料電池走進(jìn)530萬戶家庭，使全國20%的家庭用上氫能源[51]。

中國在民用氫能供熱、供電方面還處在初步研究階段，當(dāng)前可適度超前布局氫能家庭應(yīng)用研發(fā)并降低氫能應(yīng)用成本。未來可考慮推廣家庭用燃料電池?zé)犭娐?lián)供機(jī)組，或在居民小區(qū)建設(shè)集中式氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供機(jī)組，通過外接氫氣管道提供氫氣，反應(yīng)后為各居民家庭提供清潔電力和熱量。

4 氫能產(chǎn)業(yè)面臨的障礙與挑戰(zhàn)

4.1 成本問題

在“雙碳”目標(biāo)下，氫能的來源需從灰氫過渡到綠氫，然而目前綠氫的成本價(jià)格是灰氫的3～4倍[52]，這將使綠氫在下游產(chǎn)業(yè)應(yīng)用成本更為高昂，成為綠氫發(fā)展的主要障礙之一。比如鋼鐵和化工行業(yè)是資本密集型行業(yè)，利潤率很低，其利潤取決于原材料成本和經(jīng)濟(jì)增長幅度。因此規(guī)模經(jīng)濟(jì)、低原材料和能源價(jià)格對這些行業(yè)的盈利能力至關(guān)重要。而使用綠氫將大幅提高這些行業(yè)的原材料和能源成本，喪失與使用灰氫企業(yè)之間的競爭力。綠氫的生產(chǎn)成本取決于電解槽的投資成本、容量因數(shù)以及可再生能源發(fā)電的成本。鑒于目前電解槽成本相對較高，低成本的可再生能源電力就成為綠氫發(fā)展的關(guān)鍵。隨著中國可再生能源發(fā)電規(guī)模的擴(kuò)大，其發(fā)電成本在逐漸降低?，F(xiàn)有的太陽能光伏和風(fēng)能已比燃煤發(fā)電機(jī)組的運(yùn)營成本更低，而未來可再生能源電力成本還有進(jìn)一步下降的空間。值得一提的是，現(xiàn)有的可再生能源發(fā)電成本沒有考慮到與化石燃料消費(fèi)相關(guān)的外部性問題，而這些因素都有助于縮小綠氫與灰氫的成本差距，最終使綠氫更具吸引力。

另需注意的是，在某些特定的工業(yè)部門中，利用基于綠氫的新生產(chǎn)工藝對現(xiàn)有基于化石能源的生產(chǎn)工藝進(jìn)行替代，所需的新工藝流程開發(fā)投資成本也十分巨大，如果沒有專門的支持計(jì)劃或?qū)G色材料或商品的明確需求，對單一企業(yè)而言，其所需投資負(fù)擔(dān)依然很重。因此，需要各行業(yè)出臺(tái)專門的扶持政策，以促進(jìn)相關(guān)行業(yè)研發(fā)投入成本的降低。

4.2 氫能基礎(chǔ)設(shè)施不足

氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足是阻礙中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的另一個(gè)重要挑戰(zhàn)。中國各類加氫站總數(shù)不及200座，而中國的加油站總數(shù)超過10萬座，加氫站的數(shù)量過低將阻礙氫燃料電池車的推廣與應(yīng)用。中國加氫站建設(shè)面臨的難點(diǎn)包括：核心設(shè)備依賴進(jìn)口、建設(shè)成本高、建設(shè)審批流程復(fù)雜、歸口管理不明確以及民眾的“鄰避效應(yīng)”等問題。同時(shí)，中國氫按照?；愤M(jìn)行管理，致使氫能項(xiàng)目大多只能局限在化工園區(qū)內(nèi)，限制了加氫站的建設(shè)。另外，中國輸氫管道里程過低，現(xiàn)有輸氫管道的里程只有約100 km，而天然氣的輸送管道則超過11×104km。過低的輸氫管道里程導(dǎo)致氫氣輸運(yùn)能力不足，不利于氫能的大規(guī)模應(yīng)用。同時(shí)，輸氫管道建設(shè)也面臨著設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)不明、建設(shè)成本過高等問題，成為氫能基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的另一個(gè)重要障礙。

4.3 能源效率偏低，與可再生能源發(fā)展步驟不匹配

綠氫從生產(chǎn)到應(yīng)用的各個(gè)階段都存在大量的能量損失，導(dǎo)致整體能源效率偏低。在生產(chǎn)階段，通過電解水生產(chǎn)綠氫會(huì)導(dǎo)致30%～35%的能量損失。如果將氫轉(zhuǎn)化為其他化合物（如綠色合成氨）會(huì)導(dǎo)致13%～25%的能量損失。在氫氣輸運(yùn)階段，需要額外投入的能量相當(dāng)于氫能本身能量10%～12%[53]。在應(yīng)用階段，在燃料電池中，氫氣的能量損失約為本身的40%～45%（不考慮熱回收），綠氫的整體能源效率取決最終的應(yīng)用場景，整體能源效率越低，生產(chǎn)綠氫所需的可再生電力容量就越大。中國擁有足夠的可再生能源開發(fā)潛力，可以滿足發(fā)展綠氫所需的電力容量。其主要問題在于當(dāng)前可再生能源的開發(fā)速度與中國終端能源電氣化和綠氫供應(yīng)鏈發(fā)展需求的增長速度不匹配，無法同時(shí)滿足兩者的需要。除了專門開發(fā)的綠氫驗(yàn)證項(xiàng)目外，對開發(fā)可再生能源進(jìn)行的投資也沒有考慮綠氫的發(fā)展需求，導(dǎo)致綠氫所需的可再生能源電力設(shè)施建設(shè)滯后，成為綠氫發(fā)展的障礙。

4.4 市場需求不足

目前對綠氫的需求主要基于國家低碳政策要求，而不是直接的經(jīng)濟(jì)收益。雖然產(chǎn)業(yè)界都認(rèn)可綠氫及綠氫產(chǎn)品的價(jià)值，但限于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)成本的制約，實(shí)際需求幾乎不存在。盡管公眾越來越關(guān)注氣候變化，但至今并未轉(zhuǎn)化為對綠氫產(chǎn)品的購買。同時(shí)，政府招標(biāo)購買的公共產(chǎn)品更多的是考慮市場價(jià)格而沒有考慮環(huán)境效益。與此同時(shí)，缺乏激勵(lì)措施來促進(jìn)綠色產(chǎn)品（如綠色鋼鐵、綠色甲醇等）的使用，也間接促使綠氫的市場需求不足。而市場需求的不足也導(dǎo)致了綠氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的匱乏，從而造成了綠氫發(fā)展的兩難問題：即由于綠氫成本高而導(dǎo)致市場需求不足。反過來，市場需求不足導(dǎo)致對綠氫的投資不足，從而無法通過投資擴(kuò)大規(guī)模而降低綠氫成本。

4.5 技術(shù)發(fā)展存在短板

氫能的技術(shù)研發(fā)涉及制、儲(chǔ)、運(yùn)、用的各個(gè)階段，各個(gè)階段依據(jù)不同的應(yīng)用場合還存在一些短板。如果只用綠氫替代灰氫，不參與下游生產(chǎn)工藝流程，那么現(xiàn)有的綠氫生產(chǎn)技術(shù)已有產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用。但在某些部門的生產(chǎn)過程中，如在煉鋼過程中，如果用氫要取代焦炭作為還原劑，就必須徹底改變現(xiàn)有的高爐技術(shù)路線，包括新裝備、新工藝流程的開發(fā)，然而相關(guān)技術(shù)的研發(fā)都還處于理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段。再有，在工業(yè)供熱領(lǐng)域，利用氫氣燃燒后進(jìn)行高溫供熱的關(guān)鍵挑戰(zhàn)包括傳熱特性和煙氣成分的變化，以及較高的氮氧化物（NOx）排放問題。因此必須重新開發(fā)鍋爐等關(guān)鍵設(shè)備，而相關(guān)技術(shù)的研發(fā)依然處于早期開發(fā)階段。因此中國氫能產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵部件性能與核心技術(shù)的創(chuàng)新能力與世界先進(jìn)水平還有差距，這也成為氫能發(fā)展的重要障礙。

4.6 政策體系不完善

中國各地區(qū)為促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展出臺(tái)了許多政策，然而各地政策也存在氫能的引導(dǎo)力度不足、覆蓋面不廣、管理不完善以及政策不連貫等問題：①各地出臺(tái)的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃大部分側(cè)重于交通方面，涉及其他領(lǐng)域的支持不足；②在各類政策中，對綠氫的發(fā)展支持力度不夠，缺乏具體的行動(dòng)措施，容易導(dǎo)致由于灰氫的長期發(fā)展而產(chǎn)生的高碳鎖定效應(yīng)；③氫能管理體系不夠明確，沒有將氫能當(dāng)作能源管理，致使加氫站等面臨建設(shè)困境，無法離開化工園區(qū)。制氫、加氫合建站的管理體系有待進(jìn)一步明確，以及加氫站的建設(shè)用地只限于商業(yè)用地等因素也限制了加氫站的普及與推廣；④氫能標(biāo)準(zhǔn)體系不全面，例如中國高壓運(yùn)氫瓶的壓力限定于25 MPa，事實(shí)上，現(xiàn)有技術(shù)已可達(dá)到45 MPa，而有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)還未跟上技術(shù)發(fā)展速度。應(yīng)大力發(fā)展國家標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)行業(yè)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系，并從嚴(yán)把控國家標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量；⑤有關(guān)支持氫能發(fā)展的金融財(cái)稅政策不全面，未能充分利用碳價(jià)、碳稅等金融工具推動(dòng)綠氫的發(fā)展；⑥政策不連貫，各地出臺(tái)的氫能補(bǔ)貼政策有時(shí)間期限，當(dāng)政策執(zhí)行到期后，沒有接續(xù)政策繼續(xù)作為支撐，導(dǎo)致相關(guān)投資者無所適從。因此，保持政策的前瞻性、完整性、連續(xù)性、穩(wěn)健性對未來氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。

5 未來發(fā)展政策建議

5.1 制定行動(dòng)方案，落實(shí)國家氫能發(fā)展規(guī)劃的要求

國務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》[54]從頂層設(shè)計(jì)上明確了做好“雙碳”工作的主要目標(biāo)、減碳路徑措施及相關(guān)配套措施，為日后“雙碳”行動(dòng)方案、各重點(diǎn)領(lǐng)域及行業(yè)政策措施和行動(dòng)提供政策支撐。作為支撐國家碳中和“1＋N”政策體系的重要組成部分，國家發(fā)展和改革委員會(huì)公布的《氫能產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃（2021—2035）》[4]明確了氫能戰(zhàn)略定位，確定各階段策略安排和重點(diǎn)。當(dāng)前，需推動(dòng)有關(guān)部門制定出臺(tái)氫能領(lǐng)域的行動(dòng)方案和保障措施，加強(qiáng)統(tǒng)籌銜接，持續(xù)跟蹤和評(píng)估政策實(shí)施效果。建議從當(dāng)前已具備基礎(chǔ)、各方積極性高、商業(yè)化進(jìn)程快的氫燃料電池汽車出發(fā)，按照“交通領(lǐng)域推廣為先導(dǎo)、核心技術(shù)突破為關(guān)鍵、氫能基礎(chǔ)設(shè)施為支撐、氫能供給體系緊密銜接、其他行業(yè)應(yīng)用梯次跟進(jìn)”的路徑，細(xì)化制訂各領(lǐng)域路線圖，并在研發(fā)、應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)、放管服改革等方面設(shè)定一批優(yōu)先事項(xiàng)，建設(shè)一批示范項(xiàng)目，確立中國氫能發(fā)展的整體路徑。

5.2 建設(shè)國際、國內(nèi)雙循環(huán)的氫能經(jīng)濟(jì)體系

發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，需著力在國內(nèi)、國際兩個(gè)市場進(jìn)行布局，建設(shè)“國際、國內(nèi)雙循環(huán)”的氫能經(jīng)濟(jì)體系，并促進(jìn)兩個(gè)體系相互融合發(fā)展。當(dāng)前，中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨國際阻礙，人工智能、先進(jìn)制造等行業(yè)受到發(fā)達(dá)國家限制，但氫能是為數(shù)不多的可以進(jìn)行國際合作的領(lǐng)域之一，應(yīng)抓住這一歷史機(jī)遇，拓展中國的海外氫能合作，打造國際氫能循環(huán)體系，加強(qiáng)與氫能產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國的技術(shù)交流，共同舉辦國際會(huì)議，促進(jìn)雙方的氫能貿(mào)易，擴(kuò)大海外市場，推動(dòng)中國綠氫及先進(jìn)氫能設(shè)備出口，共同制定氫能國際標(biāo)準(zhǔn)，培育具有國際視野的先進(jìn)人才。同時(shí)，可利用“一帶一路”戰(zhàn)略，通過氫能產(chǎn)業(yè)加強(qiáng)與一帶一路沿線國家在“雙碳”戰(zhàn)略中的合作，推動(dòng)基于氫能技術(shù)的可再生能源先進(jìn)技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化以及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施投資，包括合作制綠氫和綠色氫基化合物，以及設(shè)備出租、分享利潤等，為沿線國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供新的機(jī)遇，這也對保護(hù)地球生態(tài)、推進(jìn)應(yīng)對氣候變化具有非常現(xiàn)實(shí)和重要的意義。

國內(nèi)氫能循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系應(yīng)著眼于構(gòu)建綠色、低碳的循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)體系，促使綠氫在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)方面發(fā)揮作用。要重點(diǎn)推動(dòng)綠氫在鋼鐵、石化、化工以及重載交通等傳統(tǒng)高耗能行業(yè)的應(yīng)用，為上述產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展提供路線選擇。同時(shí)要注意國內(nèi)、國際兩個(gè)體系的相互支持，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)、國際雙循環(huán)的相互促進(jìn)與發(fā)展，從而構(gòu)建覆蓋國際、國內(nèi)氫能經(jīng)濟(jì)體系，為中國“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供堅(jiān)實(shí)支撐。

5.3 發(fā)揮氫能優(yōu)勢，建設(shè)清潔低碳、安全高效的清潔能源體系

經(jīng)過長期努力，當(dāng)前中國能源結(jié)構(gòu)中，煤炭消費(fèi)含量已有大幅降低，但以煤炭為主導(dǎo)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)特征依然明顯，要實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，就必須有計(jì)劃地精準(zhǔn)減少煤炭消費(fèi)，利用綠氫、綠電等能源載體實(shí)現(xiàn)可再生能源替代化石能源是必然選擇。從環(huán)境和生態(tài)的角度來看，利用可再生能源進(jìn)行電解水制氫是最佳的技術(shù)途徑。不僅能夠?qū)崿F(xiàn)零碳排放，獲得真正潔凈的綠氫，還能夠?qū)㈤g歇、不穩(wěn)定的可再生能源轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、可控的無碳能源，促進(jìn)可再生能源的消納和擴(kuò)展。至2050年時(shí)，非化石能源結(jié)構(gòu)應(yīng)占能源結(jié)構(gòu)的73%以上，這就意味著需要進(jìn)一步構(gòu)建與高比例可再生能源生產(chǎn)使用相匹配的現(xiàn)代能源體系，完善清潔能源消納長效機(jī)制。因此發(fā)揮氫能優(yōu)勢，建立以綠氫為特色和媒介的能源供給和消費(fèi)體系，將為實(shí)現(xiàn)中國能源體系深度脫碳化提供堅(jiān)強(qiáng)保障。

5.4 加快氫能科技創(chuàng)新，推動(dòng)建設(shè)氫能科技發(fā)展高地

發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，離不開更大力度的科技創(chuàng)新。需部署建設(shè)氫能技術(shù)創(chuàng)新體系，推動(dòng)先進(jìn)氫能技術(shù)研發(fā)，促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化。要針對規(guī)?；稍偕茉粗茪浼夹g(shù)、氫儲(chǔ)能、氫能煉鋼、綠氫化工、氫燃料電池、氫燃?xì)廨啓C(jī)等氫能基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)并行設(shè)立多條不同技術(shù)路徑開展集中攻關(guān)。要加快推廣氫燃料電池車、氫能電力系統(tǒng)、氫能熱電聯(lián)供等節(jié)能低碳新技術(shù)，加快用好新技術(shù)、新模式、新業(yè)態(tài)推動(dòng)相關(guān)行業(yè)節(jié)能減碳。世界主要經(jīng)濟(jì)體都在加速氫能科技發(fā)展方面的布局。氫能開發(fā)與利用已成為發(fā)達(dá)國家能源體系中的重要組成部分，在氫能全球化的浪潮中，中國要發(fā)揮體制優(yōu)勢，加快氫能領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，提高關(guān)鍵技術(shù)裝備的國產(chǎn)化程度，搶占?xì)淠芸萍及l(fā)展高地，形成具有中國特色的氫能“產(chǎn)學(xué)研”發(fā)展體系，并引領(lǐng)全球氫能科技發(fā)展方向。

5.5 建設(shè)氫能應(yīng)用產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展園區(qū)，擴(kuò)大氫能應(yīng)用市場

市場需求不足是阻礙氫能發(fā)展的關(guān)鍵障礙之一。建議各地區(qū)可結(jié)合自身?xiàng)l件，建設(shè)氫能應(yīng)用產(chǎn)業(yè)園區(qū)，在園區(qū)內(nèi)集中發(fā)展大量使用氫能的鋼鐵冶金、石油化工、煤化工等行業(yè)，建設(shè)以“鋼化聯(lián)產(chǎn)”等為代表的循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展。同時(shí)為園區(qū)建設(shè)綠氫制造基地或氫能供給網(wǎng)絡(luò)，形成氫能應(yīng)用的大規(guī)模市場，擴(kuò)大氫能應(yīng)用范圍，吸引對于氫能的投資，促進(jìn)綠氫成本下降，為提高綠氫競爭力、推動(dòng)綠氫應(yīng)用的下游產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展創(chuàng)造條件。

6 結(jié)論

1）中國要實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，現(xiàn)在就必須有計(jì)劃精準(zhǔn)減少煤炭使用，使用綠氫、綠電則是必然選擇。現(xiàn)階段使用氫能應(yīng)采取“藍(lán)氫先行、綠氫跟上、灰氫退出”的策略，逐步推行。由于當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)既有發(fā)展目標(biāo)向“雙碳”目標(biāo)導(dǎo)向路徑的轉(zhuǎn)變，各部門都要強(qiáng)化轉(zhuǎn)型力度，特別是工業(yè)部門中難減排行業(yè)要進(jìn)一步深度減排，這就需要加強(qiáng)氫能在工業(yè)部門、交通部門以及電力部門應(yīng)用，促進(jìn)關(guān)鍵部門的深度脫碳。而氫能產(chǎn)業(yè)就需在這一定位的前提下，確立階段性發(fā)展目標(biāo)、明確重點(diǎn)任務(wù)和實(shí)施路徑，引導(dǎo)氫能產(chǎn)業(yè)聚焦這一定位而形成產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

2）發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，要堅(jiān)持先立后破的原則，持續(xù)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使氫能產(chǎn)業(yè)在保障中國能源安全、推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮協(xié)同作用，這也是氫能產(chǎn)業(yè)能夠行穩(wěn)致遠(yuǎn)的根本要求。

3）要關(guān)注氫基化合物的發(fā)展，利用現(xiàn)有的工業(yè)設(shè)施生產(chǎn)綠色甲醇、綠色合成氨、綠色天然氣等。同時(shí)應(yīng)著力推動(dòng)建設(shè)國際、國內(nèi)雙循環(huán)的氫能經(jīng)濟(jì)體系，從而為實(shí)現(xiàn)中國能源系統(tǒng)脫碳和產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代、建設(shè)生態(tài)文明、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供可靠的技術(shù)及路徑支撐。